UNTERSUCHUNG DER SCIll.AGFESTIGKEIT VON SCHMIERFETTEN
Von
E. V_.\.MOS*, E. NEUMANN und L. Kov_.\.cs
Lehrstuhl für Chemische Technologie, Technische Universität, Budapest Eingegangen am 22. Januar 1980
Vorgelegt von Prof. 1. SZEBENYI
Einleitung
Der zunehmende Personen- und Frachttransport stellt die Eisenbahnen vor stetig wachsende Aufgaben. Das An"wachsen der Durchschnittsgeschwindig- keit und der Entfernungen je Achse beansprucht die Wälzlager und die Lager- schmierstoffe je Achse beansprucht die Wälzlager und die Lagerschmier- stoffe ganz besonders. Bei uns ist es ferner ein weiteres Problem, daß Ungarn Miglied des gemeinsammen Frachtwaggonparkes der RGW ist, und daher die Frage der Revisionen und der Schmierung immer komplizierter wird. Zur Ausarbeitung VOn notwendigen Langfristschmierfetten sind zweck- entsprechende Untersuchungen nötig, welche u. a. die Schlagbeanspruchung auf den Eisenhahnschienen richtig modellieren.
Die Auswahl yon Einrichtungen zur Prüfstandsuntersuchung von Schmierfetten ist sehr groß, einige wurden bereits als Standardmethoden eingeführt.
Die wichtigsten Parameter der dynamischen Untersuchung von Schmier- fetten sind: die Belastung, die Umdrehungszahl und die Temperatur. Zahlreiche Veröffentlichungen berichten über mechanisch dynamische Schmierfettprüf- städe [1-5]. Die Zielsetzung der mechanischen Prüfung von Schmierfetten kann vielerlei sein. Außer den am häufigsten untersuchten Lebensdauerdaten werden oft spezielle Eigenschaften, z.B. die Wirksamkeit je eines gegebenen sehmiertechnischen Parameters untersueht.
Unter den dynamischen Schmierfettprüfständen ist hisher keine Maschine zur ModelIierung des Schlag- (Anprall)-impulses bekannt. Viele Forseher be- schäftigten sich zwar mit den aus Lagerfehlern stammenden Schlagimpulsen, doch wurde in diesen Veröffentlichungen die Rolle des Schmierfettes garnicht berücksichtigt [6-10].
Die aufgezählten Prüfstandsuntersuchungcn sind zur Modellieruug der Eisenbahn-Beanspruchung ungeeignet. Die Untersuchung der Eisenhahnlager-
'" Ungarisches Forschungsinstitut der Kohlenwasserstoff-Industrie Szazhalombatta.
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fetten im Großbetrieb (in Fahrproben) ist kostpielig und arbeitsaufwändig.
Außerdem ist die Betriebserprobung zeitgemäßer Schmierfette, deren Lebens- dauer von 500 Tausend his 1 :Millionen km zu erreichen hat, äußerst zeitauf- 'wändig, und kann dahcr nur in der Abschlußphase Schmierstoffentwicklung und nicht in den Zwischenphasell, zur Qualitätskennzeichung eingesetzt wer- den, da sonst der Zeitaufwand der Schmierfettentwicklung viel zu hoch wäre.
Trotzdem sind einige derartige Untersuchungen bekannt geworden, die jedoch nicht als entsprechendes Modell angesehen werden können [ll, 12]. Eine weitere Veröffentlichung über Probleme der Eisenbahnlager behandelt auch nicht die Frage des Schmierfettes eingehend [13].
Da im Eisenbahnyerkehr, bei Personenwaggons und Lokomotiven Wälz- lager die Gleitlagerungen verdrängt hatten, ,,,-urde es notwendig, über die kurz erwähnten Einrichtungen hinausgehend solche Prüfstände zu entwickeln, die die Beanspruchung dieser berücksichtigen, und außerdem noch damit rechnen, daß im RGW-Gebiet ebenfalls mit einer Schlagbeanspruchung der Eisenbahn- wälzlager gerechnet werden muß. Obgleich auf einigen hochbelasteten Haupt- linien bereits geschweißte Gleise gebaut wurden, und daher ein gewisses Ab- nehmen der Schlagbeanspruchung erwartet werden kann, muß trotzdem in Betracht gezogen werden, daß einstweilen noch viele Hauptlinien mit lmge- schweißten Schienen funktionieren, und das Umbauen der Nebenlinien noch sehr lange Zeit beanspruchen wird.
Beim Überrollen der Kontaktzonen von je zwei Schienen wird das Lager und das d.arin enthaltene Schmierfett einem häftigen Schlag ausgesetzt, welcher, falls er oft genug wiederholt wird, die Struktur und die Lehensdauer des Fettes, folglich Lehensdauer des Lagers und die Instandhaltungsfrist beeillflußt.
Zur Untersuchung dieses Problems wurde ein Prüfstand entwickelt, bei dessen Projektierung man berücksichtigte, daß im allgemeinen die :Masse d,,:- Fracht,\'aggolls mit Fracht insgesamt 40 Tonnen beträgt. Die am häufigsten ein ge:::etzten Waggons sind meist zweiachsig und die Last wird VOll je 4 Lagern pro Achse getragen, so daß eine Last von S Tonnen pro Lager berücksichtigt werden muß. Selbst bei geschweißten Gleisen entstehen je 120 :Meter Verschleiß- SteIlen an den SchweißsteJIen wodurch sich periodische dynamische Beanspru- chungen der Lager ergeben. Bei ungeschweißten Gleisen werden 24 Meter lange (ah und zu 40 Meter lange) Schienen benützt, die Schläge werden also in solchen Perioden auf die Lager ausgeüht. Der übliche Durchmesser der Waggonräder beträgt 920 rn/rn, es entsteht also je eine dynamische Belastung des Rades und LagerE, bei einer Sehienenlänge YOll 120 Metern, nach jeder 47.S-ten Umdre- llUng. Die Geschwiudigkeit des Eiscnhahn-waggons beträgt, abhängig yon dem Waggontyp 70 120 km/Std.
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Beschreibung des Prüfstandes
Aufgrund obiger Überlegungen '\VlITde am Lehrstuhl für Chemische Tech- nologie der Technischen Universität Budapest, in Zusammenarbeit mit dem Institut für Kohlenwasserstoff-Forschung ein Prüfstand entwickelt, deren Skizze in Abb. I zu sehen ist.
Das Prüf lager ist ein Pendelrollenlager (Katalogbezeichung 22 226 CK), das mit einer Pressscheide (H-3126) an dic Welle (0 115 mm) befestigt wird.
Die Abmessungen des Lagers betragen: 0 115 X 0 230
>(
64 mm, die dynamische Grundbelastung (C) 49000 Kp, die statische Grenzlast Co=
45 500 kg, die Grenzumdrehungszahl bei Fettschmierung 1400 U/Min, der radiale und axiale Lastfaktor x=
1,y=
2,6. Die :Masse des Lagers ist, laut SKF Katalog 14,5 kg.Bild. 1. Skizze des dynamischen Fettprüfstandes. 1. Achse; 2. Traglager; 3. Prü!lager;[4. Grund- platte; 5. Kupplung; 6. Antriebsmotor; 7. Last; 8. Hebscheibe
Das Lager befindet sich in eincm Gehäuse (SN 526), von 28,5 kg. Die dy- namische Last erreicht das Prüflager bzw. das Schmierfett über den, auf die Basis des Lagergehäuses montierten Kraftverteilcr. Der Schlag wird durch das Abfallen eines Stahlblocks (Masse
=
50 kg) aus veränderlicher Höhe ausgeübt.Die dynamische Last beträgt bei einer Fallhöhe von 5 cm et'wa 14 Tonnen.
Durch Änderung der Fallhöhe kann die Last modifiziert werden.
Der Fallkörper wird durch eine Hubscheibe über einen Elektromotor deI"
Leistung 0.37 KW, bei einer Umdrehungszahl von 32{l\1in gehoben. Die Fall- höhe kann durch das horizontale Verschieben des Motors geändert werden.
Das Lager bzw. die Welle wird durch einen Elektromotor von 4,4 KW mit einer Umdrehungszahl von 960/Min. gedreht. Zwischen dem :Motor und der Welle wird über einen Keilriemenantrieb elastischer Kontakt hergestellt, wodurch das hohe :Moment beim Anlaufen vermindert wird. Eine zweite Funk- tion des Keilriemens ist die Reduktion der Umdrehungszahl des :Motors. Die Welle des Prüflagers wird vom :Motor unmittelbar über eine elastische Kupphw g angetrieben. Die erwähnte Umdrehungszahl, bezogen auf ein Eisenbahnrad von 920 mm, entspricht einer Fahrgeschwindigkeit von 166 Km/Std. Da diese Ge- schwindigkeit im RGW-Raum und bei den Ungarischen Staatsbahnen noch
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nicht verwirklicht wurde, hat man mit Hilfe des Keilriemenantriebs die Drah- zahl um das 1,5 fache reduziert, das ungefähr einer Fahrgeschwindigkeit von llO KmJStd entspricht.
Der Durchmesser der Welle beträgt 115 mm, die Länge 860 mm. Sie ist bereitet aus einem zähen Wellenstahl NC 6. Die Prüfwelle wird an beiden Seiten von gleichdimensionierten Lagern getragen. Das dynamisch belastete Lager wird durch die Einrichtung No 3. gegen Verdrehung gesichert.
Die Anzahl der Schläge und die Zahl der Umdrehungen kann durch Mes- sung der Umdrehungszahl der Hubscheibe kontrolliert werden. Die Temperatur des äußeren Lagerringes wird durch ein Fe-Co Thermoelement (THF 151) ge- messen, das mit einem Temperatur-Registriergerät gekoppelt werden kann.
Die Bewertung der Ergebnisse erfolgt nach denz Prinzip des bekannten Fettprüfstandes SKF-V 2 F. Es werden folgende Werte untersucht:
Menge des ab gesprühten Schmierfettes Maximaltemperatur
Gleichgc"wichtstemperatur Kennzahlen des Schmierfettes
Konsistenzänderung des Fetts im Labirinth.
Im Prüfstand SKF-V 2F beträgt die Prüfdauer .72 Millionen Umdrehun- gen. Laut unseres Projektes macht unser Prüfbtand 36 Millionen Undrehungen in 38 Tagen. Dies entspricht einer Fahrstrecke von 100 000 km. In diesel' Zeit werden 1,8 Millionen Hiebe auf das Lager ausgeübt.
Nach Beendung des Prüflaufes wird das gealterte Fett aus dem Lager entfernt, bzw. die Reste mit Benzin ausgewaschen.
Wurde das Lager im Prüflauf beschädigt, so muß es für die nächste Prüfung ausgetauscht werden. Für den nächsten Prüflauf wird das Lager mit 1700 g des zu testenden Fettes aufgefüllt.
Zwecks Wechsel des mittleren Lagers (des Prüflagers ) müssen alle drei Gehäuse ahmontiert werden, worauf das Aushehen der Welle mit den zwei Traglagern und dem Prüflager erfolgt (1l0 kg).
Zur Kontrolle der Aussagefähigkeit des Prüfstands wurden Untersuchun- gen mit einem Lithium-Oxistearathasichen Schmierfett (Ungarische Norm- bezeichung LZS-2), der NLGI-Gruppe 2 Untersuchungen ausgeführt. Das Fett stammt aus dem Vertriehsnetz der Ungarischen Handelsfirma für Erdölpro- dukte »AFOR«, die Eigenschaften des Produktes entsprechen den genormten Katalogwerten der Firma AFOR. Dasselbe Handelsprodukt wurde außerdem noch mit 2 M% des Additives Vanlube 674 (Handels-Additiv) bzw 5 M % des MoS2 enthaltenden Additives »Fimol« versetzt und ebenfalls geprüft. Die Fett- muster wurden am Prüfstand je zwei 12 stündigell Prüfläufen (= 24. Std) und einer dynamischen Last von 6,5 Tonnen untenvorfen. Es ergah sich daß sich der stationäre Zustand zwischen der 4. und 8. Std des Prüflaufes einstellte.
SCHLAGFESTIGKEIT VON SCHMIERFETTEN 165
Die Menge des während der Prüfläufe ahgesprühten Fettes war so gering, daß es nicht hewertet werden konnte. Über den Zustand der Lager vor und nach den drei PrüfIäufen wurden Farbfoto-Aufnahmen verfertigt. Diese zeigten, daß die Veränderungen des PrüfIagers während dieser Prüfungen minimal waren.
Versuchsergebnisse
TaheI1e 1 zeigt die Kennzahlen der Schmierfettmuster im Frischzustand und nach den PrüfIäufen.
Die Tropfpunkte der Fette wurden nach einer Beanspruchung von 24 Std.
geringfügig erhöht. Unterschiede zwischen Proben die von drei verschiedenen LagersteIlen entnommen wurden, waren praktisch nicht nachweishar. Die Pene- trationswete zeigten im Vergleich mit dem ursprünglichen Muster eine geringe Abnahme, wahrscheinlich wegen Homogenisation im Laufe der Beanspruchung.
Tabelle 1
Tropfpunkt und Penetration der Schmierfette
Fließpunkt I I Tropfpunkt Penetration
Schmierfett nach ubbelonde
°C mmlO
LZS-2 alap 175 194 286
I/I 183 200 275
1/2 185 201 275
1/31/3 191 201 280
LZS-2
+
2% Vaulube 674 152 187 284H/l 180 198 270
H/2 182 196 272
H/3 190 196 279
LZS-2
+
5% Fimol 175 199 285HIlI 186 201 275
HI/2 186 201 274
HI/3 194 201 279
Es ·wurden mit einem Elektronenmikroskop TYP BS-540 hei einer Be- schleunigungsspannung von 80 KV. Aufnahmen der Seifenstrukturen verfertigt.
Die elektronenoptische Vergrößerung betrug das 4000 hzw 8000 - fache und die Bilder wurden foto optisch um das 1,5 fache noch vergrößert. Die HersteI1ung der Präparate geschah auf übliche Weise. Die Aufnahmen zeigen folgendes:
Bild. 2. Seifenfibrillen der Grundfettes
Bild. 3. Seifenfibrillen des reinen dynamisch beanspruchten Fettes
SCHLAGFESTIGKEIT VON SCHMIERFETTEN 167
Ahb.2 zeigt die bekannte Fibrillenstruktur des ursprünglichen Fettes.
Ahb. 3 zeigt die Struktur des Grundfettes nach einer Fahrzeit von 24 Stunden.
Man nimmt eine bedeutende Änderung wahr, dje Struktur wurde zum Teil zerstört und die Fibrillen besitzen gezackte Oberflächen.
Ahb. 4 zeigt die Struktur des mit 2 M% Vanluhe 674 versetzten Fettes nach
Bild. 4. Seifenstruktur des legierten, dynamiseh beanspruchten Fettes
eiuer Fahrzeit von 24 Stunden. Das elektronenmikroskopische Bild zeigt ge- ringfügige Unterschiede gegenüber dem ursprüuglichen Fett. Es kann ange- nommenen werden, daß dies der günstigen Wirkung des Additivs zugeschrieben werden kann.
Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden mit der Laufoherfläche entnommenen Prohen gemacht.
Rheologische Untersuchungen
Die Erweichung von Schmierfettell, sowie das Auftreten von Struktur- änderungen kann aufgrund rheologischer Methoden exakter als hisher charak- terisiert werden. Es wurden daher das Grulldfett ulld die am Prüfstand bean-
spruchten Fette mit einem Kegel-Platten-Rotationsviskosimeter (Rheotest-2) geprüft. Die Methode ist wohlbekannt und muß deshalb hier nicht beschrieben werden.
Die erhaltenen Fließkurven der Fette sind in Abb. 5, 6 und 7 zu sehen.
Ahb, 5 zeigt die Fließkurven des Grundfettes LZS-2 sowie der Muste 1/1,1/2 und 1/3. Die Kurve des Grundfettes und des Musters aus der Hauptmasse des Fettes (1/3) verlaufen anfangs praktisch identisch und bloß im oberen
IgD
12 11 1J
0,00 G.7J 0.81l' 0.90 1.00 DCl
Ig1: 10)
Bild. 5. Fließkurven des unlegierten Fettes. 1/0 Grundfett; I/I beanspruchtes Fett aus dem Korb; I/I beanspruchtes Fett von der Laufbahn; 1/3 beanspruchtes Durchschnittsmuster
Bild. 6. Fließkurven des mit Vanlube vermischten Fettes, II/O vermischtes Grundfett;
lI/I Korbmuster; II/2 Laufbahnmuster; II/3 Durr.hschmittsmuster
1UJ 11,t
10.<1 3 9.<1
2 5h
,
0,70 0,80
SCHL4.GFESTIGKEIT VON SCH..'tfIERFETTEN
, ,
0,90 1,00 1,10 1.20 • '31,30
19't 10
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Bild. 7. Fließkurven des mit »Fimol« vermischten Fettes. IIIjlO vermischtes Grulldfett:
IUjI Korbmuster; IIIj2 Laufbahnmuster; IIIj3 Durchschnittsmuster
Bereich kann eine unwesentliche Abweichung nachgewiesen werden. Die Kur- ven der aus der Umgebung des Bronzekorbes und der LaufoberfIächen entnom- menen ~:Iuster weichen zwar ab, doch verlaufen sie zu einander parallel und sind einander sehr ähnlich. Als Grund dieses Verlaufes kann die verhältniss- mäßig Kurze dynamische Beanspruchung angesehen werden.
Die Kurven (Abb. 6) des mit 2 M% Vanlube 674 versetzten Fettes ver- laufen noch näher aneinander (Kurven H/I, H/2, H/3). Der einzige wesentliche Unterschied zeigt sich im Verlauf der Kurve H/I (Muster von den Rollflächen) welche im halben Gebiet steiler verläuft.
Abb. 7 zeigt die Kurven des mit 5 M% Fimol (MoS2) versetzte Fetts.
Hier weichen die Kurven III/l und III/2 von der Grundfettkurve und der Kurve III/3 (RollfIächenmuster) ab, während die Kurvenpaare untereinander fast identisch sind.
Es kann gesagt werden, daß die Kurven 3 stets in Nähe der Grundfett- kurven liegen, während die Kurven I und 2 allenfalls größere Ab"weic1nmgen zeigen, da diese aus höher beanspruchten Gebieten stammen.
Zusammenfassung
Es wurde ein dynamischer Fettprüfstand zur Kennzeichung von Eisenbahnlagerfetten ent\vickelt. Dieser Prüfstand führt in 38 Tagen 36 .Millionen Umdrehungen aus. Dies entspricht einer Laufstrecke Yon 100 000 Km. Während dieser Zeit werden 1,8 Millionen Schläge auf das Lager ausgeübt. Auf diese Weise ,vird die Schlagbeanspruchung der Eisenbahnen annähernd gut, in schwach forcierter Form modelliert. ~Iit diesem Prüfstand wurden an einem lithium- basischen Schmierfett LZS-2 im Reinzustand und mit Zusatzmitteln vermischt Kurzfristprü- fungen durchgeführt. Die Schlagfestigkeit wurde 24 Std lang geprüft. Es wurden von jedem Fett je 3 Muster entnommen und diese technologischen, elektronenmikroskopischen und rheo-
logisc~~n Prüfungen unterworfen. Im Laufe der Untersuchungen wurden an den Lagern fast keine Anderungen wahrgenommen. Der Tropfpunkt wurde geringfügig erhöht, die Penetration nahm anfangs ab und stieg später ein wenig an. Dies kann auf die Homogenisierung der Fette im Lager zurückgeführt werden.
Die Fließkuryen zeigten größere .c\bweichungen. Höhere Beanspruchung verursachte steileren Kurvenyerlauf u~d niedrigere Fließgrenzen. Im Elektronrnikroskop konnte uach 24 Stunden eine bedeutende Anderung der Struktur des Grundfettes wahrgenommen werden, die Fibrillen wurden teilweise zerstört und die Oberflächen wurden zackig. Solche Strukturände- rung konnte bisher an Schmierfetten.poch nicht beobachtet werden. Die Zusatzmittel ent- haltenden Schmierfette zeigten diese Anderung nicht. oder kaum. Es kann daher festgestellt werden, daß der entwickelte Pri!-.fstand von den bisherigen abweichende. meßbare und elektro- nenmikroskopisch indizierbare Anderungen inl Fett hervorzurufen imstande ist.
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